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자리옮김효소

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1. 개요

자리옮김효소는 막을 가로질러 이온 또는 분자를 이동시키거나 막 내에서 분리하는 것을 촉매하는 효소 부류이다. 1961년 6개의 효소 부류로 처음 분류되었으나, 막 수송 효소의 중요성이 부각됨에 따라 2018년 국제 생화학 및 분자 생물학 연합에 의해 새로운 효소 부류(EC 7)로 분류되었다. 자리옮김효소는 ATP의 가수분해를 통해 다양한 분자들을 세포막을 가로질러 이동시키며, 산화적 인산화, 단백질 수입, 지방산 수입 등 다양한 세포 과정에 관여한다. 하위 분류는 이동되는 구성 요소의 종류와 전위를 위한 추진력을 제공하는 반응 과정에 따라 나뉜다.

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자리옮김효소
개요
EC 번호7 (수송 효소)
다른 이름자리옮김 효소
영어 명칭Translocase
기능세포막을 가로질러 다른 분자를 이동시키는 효소
역할단백질 수송
이온 수송
소분자 수송
상세 분류
7.1수소 이온을 수송하는 효소
7.2무기 양이온을 수송하는 효소
7.3무기 음이온을 수송하는 효소
7.4아미노산과 펩타이드 수송 효소
7.5탄수화물과 관련 알코올 수송 효소
7.6기타 화합물 수송 효소
7.7기능기를 수송하는 효소
7.8단백질을 수송하는 효소

2. 역사

1961년 국제 생화학 연합에 의해 효소 분류 및 명명 목록이 처음 승인되었다. 촉매 반응 유형에 따라 산화환원효소 (EC 1), 전이효소 (EC 2), 가수분해효소 (EC 3), 분해효소 (EC 4), 이성질화효소 (EC 5) 및 접합효소 (EC 6)를 포함하여 6개의 효소 부류가 인식되었다. 그러나 이러한 효소들은 막을 가로질러 이온 또는 분자를 이동시키거나 막 내에서 분리하는 중요한 효소 그룹을 설명할 수 없다는 것이 분명해졌다. 이들 중 일부는 ATP의 가수분해와 관련이 있으며, 가수분해 반응이 주요 기능이 아님에도 불구하고 이전에 ATP가수분해효소 (EC 3.6.3.-)로 분류되었다. 2018년 8월, 국제 생화학 및 분자 생물학 연합은 이러한 효소를 새로운 효소 부류인 자리옮김효소(EC 7)로 분류했다.[38] 2020년 2월에는 일본 생화학회에서 “Translocase”에 대응하는 "수송효소"라는 호칭이 제안되었다.[39]

3. 촉매 반응 기작

자리옮김효소가 촉매하는 반응은 일반적으로 다음과 같다.[3][40]


  • AX + Bside 1 ⇌ A + X + Bside 2


이러한 반응의 예로는 H+-수송 이중 구획 ATPase가 촉매하는 반응을 들 수 있다.[3][4][40][41]

  • ATP + H2O + 4 H+side 1 ⇌ ADP + 인산염 + 4 H+side 2


A) ATP-ADP 자리옮김효소: 세포질에서 생성된 ADP에 대한 1:1 교환을 담당하는 단백질. B) 인산염 자리옮김효소: H2PO4-의 수송은 양성자 H2PO4-/H+의 공수송에 의해 생성된다.


이 효소는 막의 반대편으로 H+를 수송하는 동안 ATP의 탈인산화를 ADP로 수행한다.[4][41]

그러나, 모든 자리옮김효소가 동일한 반응 체계를 따르는 것은 아니다. 아스코르브산 페리환원효소의 경우 다음과 같은 반응을 촉매한다.[5][42]

  • 아스코르브산side 1 + Fe(III)side 2 ⇌ 모노탈수아스코르브산side 1 + Fe(II)side 2


이 효소는 막의 서로 다른 쪽에 위치한 분자와 무기 양이온 사이의 산화환원효소 반응에서 전자만 수송한다.[5][42]

4. 기능

자리옮김효소의 기본 기능은 "막을 가로질러 이온 또는 분자를 이동시키거나 막 내에서 분리하는 것을 촉매하는 것"이다.[6][43] 이러한 형태의 막 수송은 농도 기울기에 거스르는 분자와 이온을 펌핑하는 에너지 소모 과정인 능동 수송으로 분류된다.[6][43]

자리옮김효소는 다음과 같은 여러 중요한 세포 과정에서 세포막을 가로지르는 이동을 제공하여 생물학적으로 중요한 기능을 수행한다.



TOM: 외막 자리옮김효소. 미토콘드리아 수입 수용체 소단위체 TOM20.

  • 미토콘드리아로의 단백질 수입: 핵에서 암호화된 수백 개의 단백질은 미토콘드리아 대사, 성장, 분열 및 딸세포로의 분할에 필요하며, 이들은 모두 소기관으로 수입되어야 한다.[8][45] 외막 자리옮김효소(TOM)와 내막 자리옮김효소(TIM)는 미토콘드리아로 단백질 수입을 매개한다. 외막 자리옮김효소(TOM)는 여러 메커니즘을 통해 단백질을 외부 막, 막간 공간 또는 내막 자리옮김효소(TIM)로 직접 분류한다. 일반적으로 TIM23 기계는 기질로의 단백질 전위를 매개하고 TIM22 기계는 내막으로의 삽입을 매개한다.[9][46]

  • 미토콘드리아로의 지방산 수입 (카르니틴 셔틀 시스템): 카르니틴-아실카르니틴 자리옮김효소(CACT)는 내막 미토콘드리아에서 카르니틴의 단방향 수송과 카르니틴/아실카르니틴 교환을 모두 촉매하여 장쇄 지방산을 미토콘드리아로 수입할 수 있게 한다. 수입된 장쇄 지방산은 β-산화 경로를 통해 산화된다.[10][47] 미토콘드리아 막은 장쇄 지방산에 불투과성이므로 이러한 전위가 필요하다.[11][48]

5. 분류

자리옮김효소의 하위 분류는 이동되는 구성 요소의 종류를 지정하며, 하위 하위 분류는 전위를 위한 추진력을 제공하는 반응 과정을 나타낸다.[12][49]

5. 1. EC 7.1 : 수소 이온의 자리옮김을 촉매

5. 2. EC 7.2 : 무기 양이온 및 킬레이트의 자리옮김을 촉매

EC 7.2는 무기 양이온(금속 양이온)의 자리옮김을 촉매하는 효소를 포함한다.[15][52] 반응에 따라 EC 7.2는 다음과 같이 세분화된다.

  • EC 7.2.1: 산화환원효소 반응과 관련된 무기 양이온의 전위
  • EC 7.2.2: 뉴클레오사이드 삼인산의 가수분해와 관련된 무기 양이온의 전위
  • EC 7.2.4: 탈카복실화와 관련된 무기 양이온의 전위


이 그룹에 포함된 중요한 전위효소는 Na+/K+ 펌프(EC 7.2.2.13)이다.[15]

5. 3. EC 7.3 : 무기 음이온의 자리옮김을 촉매

EC 7.3은 무기 음이온의 자리옮김을 촉매하는 효소들을 포함한다. 이 하위 부류는 전위를 위한 동력을 제공하는 반응 과정에 기반하며, 현재는 뉴클레오사이드 삼인산의 가수분해와 관련된 무기 음이온의 전위를 다루는 EC 7.3.2만이 대표적이다.[16]

EC 7.3.2에 속하는 효소들은 다음과 같다.

  • EC 7.3.2.1 ABC형 인산염 수송체: 진핵생물과 세균에 존재하며, 세포외 기질 결합 단백질과 상호작용하여 인산 음이온의 고친화성 흡수를 매개한다. P-형 ATPases와 달리, 수송 과정에서 인산화를 거치지 않는다.[17] 반응식은 다음과 같다.


: ATP + H2O + 인산염 [인산염 - 결합 단백질][side 1] = ADP + 인산염 + 인산염 [side 2] + [인산염 - 결합 단백질][side 1]

  • EC 7.3.2.2 ABC형 포스폰산염 수송체: 세균에서 발견되며, 세포외 기질 결합 단백질과 상호작용하여 포스폰산염 및 유기인산염 음이온의 수입을 매개한다.[18] 반응식은 다음과 같다.


: ATP + H2O + 포스폰산염 [포스폰산염-결합 단백질][side 1] = ADP + 인산염 + 포스폰산염 [side 2] + [포스폰산염- 결합 단백질][side 1]

  • EC 7.3.2.3 ABC형 황산염 수송체: 진핵생물과 세균에 존재한다. 대장균 유래 효소는 주변세포질 결합 단백질과 상호작용하여 황산염 및 티오황산염의 고친화성 흡수를 매개하며, 셀레늄산염, 셀렌산염, 몰리브덴산염의 흡수에도 관여할 수 있다. 수송 과정에서 인산화를 거치지 않는다.[19] 반응식은 다음과 같다.


: ATP + H2O + 황산염 [황산염 - 결합 단백질] [side 1] = ADP + 인산염 + 황산염 [side 2] + [황산염 - 결합 단백질][side 1]

  • EC 7.3.2.4 ABC형 질산염 수송체: 진핵생물과 세균에 존재하며, 세균에서 세포외 기질 결합 단백질과 상호작용하여 질산염, 아질산염, 시안산염의 수입을 매개한다.[20] 반응식은 다음과 같다.


: ATP + H2O + 질산염 [질산염 - 결합 단백질][side 1] = ADP + 인산염 + 질산염 [side 2] + [질산염 - 결합 단백질][side 1]

  • EC 7.3.2.5 ABC형 몰리브덴산염 수송체: 고세균, 진핵생물, 세균에 존재한다. 세균에서 세포외 기질 결합 단백질과 상호작용하여 몰리브덴산염 및 텅스텐산염의 고친화성 수입을 매개하며, 수송 과정에서 인산화를 거치지 않는다.[21] 반응식은 다음과 같다.


: ATP + H2O + 몰리브덴산염 [몰리브덴산염 - 결합 단백질][side 1] = ADP + 인산염 + 몰리브덴산염 [side 2] + [몰리브덴산염 - 결합 단백질][side 1]

  • EC 7.3.2.6 ABC형 텅스텐산염 수송체: 고세균과 세균에 존재한다. 고세균 ''Pyrococcus furiosus'', 그람 양성 세균 ''Eubacterium acidaminophilum'', 그람 음성 세균 ''Campylobacter jejuni''에서 특징지어졌다. 세포외 기질 결합 단백질과 상호작용하여 텅스텐 의존성 효소에 통합하기 위해 텅스텐산염을 세포로 수입한다.[22] 반응식은 다음과 같다.


:ATP + H2O + 텅스텐산염 [텅스텐산염 - 결합 단백질][side 1] = ADP + 인산염 + 텅스텐산염 [side 2] + [텅스텐산염 - 결합 단백질][side 1]

5. 4. EC 7.4 : 아미노산 및 펩타이드의 자리옮김을 촉매

EC 7.4는 아미노산 및 펩타이드의 자리옮김을 촉매하는 효소들을 포함한다. 이 하위 부류는 자리옮김의 원동력을 제공하는 반응 과정에 기반하며, 현재는 뉴클레오시드 삼인산의 가수 분해와 관련된 아미노산 및 펩타이드의 자리옮김을 담당하는 EC 7.4.2만이 존재한다.[23]

EC 7.4.2에는 다음과 같은 효소들이 속한다.

  • EC 7.4.2.1 ABC형 극성 아미노산 수송체: 진핵생물 및 세균에서 발견되며, 세균에서는 세포외 기질 결합 단백질과 상호작용하여 히스티딘, 아르기닌, 라이신, 글루타민, 글루탐산, 아스파르트산, 오르니틴, 옥토핀, 노팔린 등의 극성 아미노산 수입을 매개한다.[24]
  • EC 7.4.2.2 ABC형 비극성 아미노산 수송체: 진핵생물 및 세균에서 발견되며, 세균에서는 세포외 기질 결합 단백질과 상호작용하여 류신, 아이소류신, 발린 등의 비극성 아미노산 수입을 매개한다.[25]
  • EC 7.4.2.3 ABC형 미토콘드리아 단백질 수송 ATPase: 진핵생물 및 세균에서 발견되며, TIM (내막 전위 효소) 단백질 복합체를 사용하여 단백질 또는 전구 단백질을 미토콘드리아로 수송한다. Tim17과 Tim23은 전구 단백질 전위 채널을 구성하고, Tim44는 매트릭스 열충격 단백질 Hsp70과 상호 작용하여 ATP 구동 수입 모터를 형성한다.[26]
  • EC 7.4.2.4 ABC형 엽록체 단백질 수송 ATPase: 바이러스 및 세포 유기체에서 나타나며, 엽록체 스트로마로 단백질 또는 전구 단백질을 수송한다.[27]
  • EC 7.4.2.5 ABC형 단백질 수송체: 진핵생물 및 세균에서 발견되며, 독소, 프로테아제, 리파아제 계열의 단백질 분비를 위한 세균 효소 계열을 나타낸다. 예시로는 α-헤몰라이신, 시클로리신, 콜리신 V, 시데로포어 (그람 음성 세균), 박테리오신, 서브틸린, 역가 인자, 페디오신 (그람 양성 세균) 등이 있다.[28]
  • EC 7.4.2.6 ABC형 올리고펩타이드 수송체: 세포외 기질 결합 단백질과 상호작용하여 다양한 특성의 올리고펩타이드 수입을 매개하는 세균 효소이다.[29]
  • EC 7.4.2.7 ABC형 알파 팩터-페로몬 수송체: 바이러스 및 세포 유기체에서 나타나며, α-팩터 성 페로몬을 수출하는 효모 효소이다.[30]
  • EC 7.4.2.8 ABC형 단백질 분비 ATPase: 고세균 및 세균에서 발견되며, 단백질 수송에 관여한다.[31]
  • EC 7.4.2.9 ABC형 디펩타이드 수송체: 바이러스 및 세포 유기체에서 나타나며, 세포외 기질 결합 단백질과 상호작용하여 디펩타이드 및 트리펩타이드 흡수를 매개하는 세균 효소이다.[32]
  • EC 7.4.2.10 ABC형 글루타티온 수송체: 원핵생물에서 발견되며, 세균 ''Escherichia coli''의 경우 세포외 기질 결합 단백질과 상호작용하여 글루타티온 흡수를 매개한다.[33]
  • EC 7.4.2.11 ABC형 메티오닌 수송체: 세포외 기질 결합 단백질과 상호작용하여 메티오닌을 수입하는 세균 효소이다.[34][35]
  • EC 7.4.2.12 ABC형 시스틴 수송체: 세포외 기질 결합 단백질과 상호작용하여 미량의 시스틴을 고친화성으로 수입하는 세균 효소이다. ''Escherichia coli'' K-12의 경우 시스틴의 두 이성질체와 젠콜레이트, 란티오닌, 다이아미노피멜산, 호모시스틴 등의 관련 분자를 수입할 수 있다.[36]


이 효소들은 모두 ATP + H2O + 기질 [측면 1] = ADP + 인산염 + 기질 [측면 2] 의 반응을 촉매한다.

5. 5. EC 7.5 : 탄수화물 및 유도체의 자리옮김을 촉매

뉴클레오시드 삼인산의 가수분해와 관련된 효소는 탄수화물 및 유도체의 자리옮김을 촉매한다.

5. 6. EC 7.6 : 기타 화합물의 자리옮김을 촉매

뉴클레오사이드 삼인산의 가수분해와 관련된 EC 7.6.2 부류가 이 소분류에 포함된다.

6. 예시


  • 오르니틴 전위 효소(SLC25A15)는 오르니틴 전위 효소 결핍증과 관련이 있다.
  • 카르니틴-아실카르니틴 전위 효소(SLC25A20)는 카르니틴-아실카르니틴 전위 효소 결핍증과 관련이 있다.
  • 미토콘드리아 외막 전위 효소 40(TOMM40)는 TOMM40 유전자에 의해 암호화된 단백질로, 그 대립 유전자는 알츠하이머병의 위험에 차등적인 영향을 미친다.

참조

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